工業(yè)固體廢棄物加固含鹽砂礫土初步試驗研究

彭 寧 劉 濤 余宗杰

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，新疆 烏魯木齊830052）

我國2019 年工業(yè)固體廢棄物產(chǎn)量約為35.43 億噸，綜合利用率約為55.02%，總體來看我國工業(yè)固廢的綜合利用率還應(yīng)提高[1]。在新疆地區(qū)，特殊的氣候條件和地下水礦化度較高的水文地質(zhì)條件是造成土壤鹽漬化的主要因素[2]。為了合理利用土地資源，許多工程項目都需要建設(shè)在鹽漬土地區(qū)，如何確保工程的安全進行就需要對鹽漬土的工程性質(zhì)去做更加完善的研究。在人工配制含鹽砂礫土中添加多種固廢，包括粉煤灰、電石渣和脫硫石膏等以及水泥，進行對于含鹽砂礫土的加固試驗研究，這樣一方面可以將固廢利用到公路修建當(dāng)中，另一方面也為鹽漬地區(qū)的公路建設(shè)提出了新的方法和參考。

1 試驗原料

1.1 粉煤灰

粉煤灰化學(xué)成分主要有SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、TiO2等，大多數(shù)粉煤灰受到水泥水化生成堿性氧化物作用，其主要化學(xué)成分SiO2、Al2O3、Fe2O3等發(fā)生一系列反應(yīng)，使水泥砼凝結(jié)表現(xiàn)出一定的強度[3]。本試驗所用粉煤灰取自新疆某經(jīng)濟開發(fā)區(qū)典型火電廠，其化學(xué)分析見表1。

1.2 電石渣

本試驗所用電石渣取自新疆某經(jīng)濟開發(fā)區(qū)典型火電廠，其組成如下：氫氧化鈣占64～80%，其余為氫氧化鎂、三氧化二鋁、三氧化二鐵、二氧化硅及燒失占10～20%左右。

1.3 脫硫石膏

本試驗所用脫硫石膏取自新疆某經(jīng)濟開發(fā)區(qū)典型火電廠，脫硫石膏的主要成分為CaSO4·2H2O，是將含有硫元素的物資經(jīng)高溫反應(yīng)后所產(chǎn)生的煙氣通過濾硫設(shè)備從而得出的一種副產(chǎn)物。

1.4 水泥

文章按照國家規(guī)范規(guī)定對所使用水泥的基本參數(shù)包括初、終凝時間，抗壓強度，抗折強度，比表面積等項目進行研究[4]。本次選擇的是強度等級為42.5 的普通硅酸鹽水泥，對于國家規(guī)范要求的各性能指標(biāo)均達到要求。

1.5 砂礫土

試驗所用砂礫土取自新疆某工業(yè)園區(qū)施工工地，通過進行顆粒分析試驗和易溶鹽試驗得到以下結(jié)果。

圖1 砂礫土粒徑分配曲線

式中：d10為有效粒徑；d60為限制粒徑；Cu為不均勻系數(shù)；Cc為曲率系數(shù)。通過查閱相關(guān)規(guī)范并結(jié)合土樣粒徑分配曲線可以看出該砂礫料屬于級配良好礫(GW)。從易溶鹽試驗結(jié)果可知該砂礫土屬于亞硫酸鹽非鹽漬土，后續(xù)試驗可以將其人工配置成相應(yīng)的鹽漬土。

1.6 其他添加劑

表1 粉煤灰化學(xué)成分分析

無水硫酸鈉：Na2SO4，品質(zhì)為分析純，生產(chǎn)于天津風(fēng)船化學(xué)試劑公司。綠色水泥改性添加劑：創(chuàng)福斯高科高含泥量改性核心料，添加劑量為水泥質(zhì)量的0.7%。

2 試驗方法

2.1 人工含鹽砂礫土的配制

采用向工業(yè)園區(qū)的砂礫土添加一定劑量的無水硫酸鈉來配制成人工含鹽砂礫土，配制步驟如下：2.1.1 將砂礫料使用2mm圓孔篩過篩，添加一定量的蒸餾水，密封靜置過篩土樣24h，同時保留篩上粗顆粒土樣，做好記錄；2.1.2 將靜置后的土樣按照設(shè)計好的質(zhì)量比稱取相應(yīng)的Na2SO4和土樣，攪拌均勻使其充分混合，裝入塑料袋密封7d，讓鹽分在土樣中充分吸附；2.1.3 在7d 后將土樣浸入充足的蒸餾水中，放置1-2d，使得鹽分進一步溶于土樣；2.1.4 將浸泡蒸餾水后的土樣攤開自然風(fēng)干，待風(fēng)干后將土樣用研缽碾碎，用2mm圓孔篩過篩得到初步人工鹽漬土細(xì)顆粒土樣；2.1.5 將初始粗顆粒土樣與細(xì)顆粒土樣按照初始比例摻配到一起，攪拌均勻就得到了試驗所用的最終人工含鹽砂礫土。文章配制的人工含鹽砂礫土中Na2SO4的質(zhì)量比為2%，按照《公路土工試驗規(guī)程》中關(guān)于鹽漬土鹽漬化程度分類屬于中鹽漬土。

2.2 無側(cè)限抗壓強度試驗設(shè)計

對于不同摻配比例的固廢最終效果如何，文章采取L9(34)的正交表設(shè)計加固試驗，這樣既可以節(jié)省減少試驗次數(shù)，又可以確定不同固廢成分的最佳摻量。

表2 正交試驗水平因素

圖2 因素水平變化趨勢

2.3 試驗結(jié)果分析

2.3.1 從所得到的數(shù)據(jù)中可以直觀看出，以極差δ 大小來判斷4 種因素的相對重要順序依次為電石渣(δ=1.26)>脫硫石膏(δ=1.23)>粉煤灰(δ=0.70)>水泥(δ=0.40)，之后就需要確定其最佳的摻配比例。2.3.2 通過分析正交試驗表最終抗壓強度數(shù)據(jù)可以得出：A2所對應(yīng)的為6.76MPa，B2所對應(yīng)的為6.96MPa，C1所對應(yīng)的為7.04MPa，D2所對應(yīng)的為7.07MPa，故最佳的優(yōu)化配比應(yīng)該是A2B2C1D2，在已經(jīng)設(shè)計好的正交試驗中沒有相應(yīng)的配比設(shè)計，所以需要補做最佳配比試驗。按照A2B2C1D2配比補做試驗的7d 無側(cè)限抗壓強度為7.80MPa，即在水泥摻量為3.0%、粉煤灰摻量為20.0%、電石渣摻量為4.0%以及脫硫石膏摻量為0.5%時，可以配置出7d 無側(cè)限抗壓強度為7.80MPa 的加固含鹽砂礫土。2.3.3 從正交試驗表最終抗壓強度的均值可以看出：水泥的最佳摻量應(yīng)為3.0%。同理，粉煤灰的最佳摻量應(yīng)該在20.0%左右；電石渣的最佳摻量應(yīng)該在4.0%左右；脫硫石膏的最佳摻量應(yīng)在0.5%左右。文章采用方差分析來判斷不同因素與試驗結(jié)果的影響顯著強弱。

(1)計算正交試驗數(shù)據(jù)平方和。

(2)確定誤差平方和。

文章設(shè)計正交試驗將L9(34)正交表全部占用，這樣會使得顯著性檢驗時無定義，所以需抽取最小的一列平方和SA＝0.23 作為誤差平方和，完成顯著性檢驗。

表3 顯著性檢驗方差分析

綜上可知，方差分析結(jié)果與直觀極差分析二者相符，確定了試驗中誤差較小。

3 結(jié)論

3.1 通過人工配制含鹽量為2.0%的硫酸鹽鹽漬土，設(shè)計了詳細(xì)的人工含鹽砂礫土的配制步驟，保證了后續(xù)試驗的正常開展。

3.2 通過正交試驗設(shè)計，摻配多種固廢固含鹽砂礫土效果良好，同時在水泥、粉煤灰、電石渣和脫硫石膏摻量分別為3.0%、20.0%、4.0%、0.5%時，加固含鹽砂礫土7d 無側(cè)限抗壓強度為7.80MPa。

3.3 首先通過極差分析確定了對于含鹽砂礫土的加固效果影響強弱的成分依次為電石渣>脫硫石膏>粉煤灰>綠色高性能水泥，其次通過方差分析驗證了結(jié)果的準(zhǔn)確性，為將來鹽漬土地區(qū)的施工和固廢利用提供了參考。